粉煤灰改性水泥土強度特性與滲透性研究

張 成 劉春輝 趙超群 姜 浩

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005）

隨著城鎮(zhèn)和工業(yè)的發(fā)展，特別是我國高速鐵路的快速發(fā)展，天然地基越來越不能滿足大型聚集地對強度和使用性能的要求。水泥作為一種重要的膠凝材料，被廣泛應用于土木建筑、水利、國防等工程，利用水泥作為固化劑來提高軟土地基的強度和減少軟土地基的變形,已經(jīng)被沿海軟土地區(qū)工程建設項目較為普遍地采用[1]。

雖然水泥加固土的成效較好，但這種方法對水泥的需求量較大，帶來的環(huán)保問題越來越突出。粉煤灰的加入不但能降低水泥水化熱[2]、穩(wěn)定性好、強度較高，而且可以做到廢物的二次利用，減少水泥的使用量，降低成本。粉煤灰作為固體工業(yè)廢料具有潛在活性，在堿激發(fā)作用下，能生成具有膠凝性能的物質(zhì)[3]，可以降低土體粘度，增加凝固時間，增加復合材料的均勻性和穩(wěn)定性。土體改良過程，即粉煤灰與混合物相互作用的過程，包括由于陽離子交換和顆粒粘附而對土體結(jié)構(gòu)的改變，這可以歸因于火山灰反應[4]。

水泥土強度指標通常采用室內(nèi)無側(cè)限壓縮試驗，但近年來，為了更好地模擬深層土攪拌的情況，經(jīng)常采用三軸壓縮試驗來研究土體的力學性能。A.Porbaha等[5]的試驗表明，土基復合材料在不排水三軸壓縮試驗中，與同條件下排水相比，在達到峰值應力和破壞應力之前應變更小，這表明不排水條件更加臨界。

因此，本研究通過一系列室內(nèi)固結(jié)不排水三軸剪切試驗來研究兩種復合材料的物理性能。以煙臺砂土為材料，采用不同水泥膠凝材料處理后制成復合材料，圍壓范圍為100kPa～900kPa。膠凝材料所采用的兩種類型分別為：①水泥；②水泥和粉煤灰的混合物。通過對復合材料的力學和水力參數(shù)進行評價，分析兩種復合材料的力學和滲透性能。

1 材料和方法

1.1 試樣制備

為了制備均勻的試樣，將所需質(zhì)量的干水泥和粉煤灰與土體充分混合，然后加入自來水，用電動攪拌器充分攪拌2min，最后將所得混合物注入圓柱形飽和器中。飽和器的直徑為39.1mm，高度為80mm。制樣前在飽和器內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，便于成樣后脫模。采用錘擊法制樣，分3層倒入飽和器內(nèi)，并將土面整平，分層擊實。

1.2 三軸試驗程序

王濱生等[8]的研究表明，養(yǎng)護時間90d 時試樣抗壓強度達到最大。本試驗試樣在標準條件（溫度20℃±2℃，濕度95%±5%）下養(yǎng)護90d，以產(chǎn)生大部分預期強度。之后，開展?jié)B透試驗與固結(jié)不排水三軸試驗。

本研究所采用的三軸儀配備體積壓力控制器，用于精確控制圍壓與反壓。滲透試驗與三軸試驗均在該三軸儀上開展。試驗方案如表1 所示。進行三軸試驗時要確保試樣完全飽和，為此將試樣放入真空室，在-0.1MPa 的壓力下進行飽和，然后將試樣放置在三軸室中進行B 值檢測，發(fā)現(xiàn)B 值遠小于預期值(0.8)[9,10]，即試樣未達到完全飽和。為此，在三軸壓力室中進行反壓飽和，即施加圍壓230kPa，并施加反壓200kPa，并在后續(xù)試驗中保持恒定，使復合水泥土飽和24h，并對試樣再次進行B值檢測，以確保試樣達到飽和。

表1 試驗方案

試樣在三軸儀中分3個階段進行固結(jié)，直至達到有效圍壓（100kPa、300kPa、500kPa、700kPa、900kPa），每一階段完成時間約為8h。固結(jié)試驗完成后，對試樣進行滲透試驗。壓差為30kPa，其值等于試樣底部壓力減去試樣頂部壓力，即試樣頂部壓力保持為200kPa，試樣底部壓力設定為230kPa。在水力梯度h下，記錄某時刻t（本研究為2min）的總滲透水量Q。試樣的滲透系數(shù)k由式（1）確定：

式中A為截面面積；L為試樣高度。

滲透試驗結(jié)束后，設置底部壓力為200kPa。在不排水條件下試樣以0.02mm/min 速率進行軸向加載，當試樣軸向應變達到15%或試樣發(fā)生破壞后終止加載。

2 三軸試驗結(jié)果

本研究共開展了10種不同工況下的固結(jié)不排水三軸試驗，每種工況開展3 組平行試驗，以消除制樣以及試驗操作誤差。分析了兩種不同膠凝材料（水泥（C）和水泥+粉煤灰（CF））的影響，其中膠凝材料的摻量為10%（膠凝材料與干土的質(zhì)量比），CF中摻入5%的粉煤灰（粉煤灰與水泥的質(zhì)量比），即粉煤灰與干土的質(zhì)量比為0.5%。試驗中分別施加了100kPa、300kPa、500kPa、700kPa、900kPa 的有效圍壓。表2 為三軸試驗獲取的不同膠凝材料水泥土的偏應力、平均有效應力、峰值軸向應變及殘余軸向應變。偏應力（q）由式（2）確定，其中σ1′為最大有效主應力，σ3′為最小有效主應力。

表2 固結(jié)不排水三軸剪切試驗結(jié)果

平均有效應力（p′）定義如下:

2.1 三軸試驗中的應力-應變

圖1為C與CF試樣孔隙水壓力（u）隨軸向應變（ε）的變化曲線，其中u 為實測孔隙水壓力減去恒定反壓。由圖1 可以看出，C 與CF 試樣孔隙水壓力隨軸向應變的變化規(guī)律基本一致，即自有效圍壓為100kPa時，試樣的孔隙水壓力隨軸向應變先增大后減小，并趨于一個相對穩(wěn)定的負值，說明試驗加載過程中，試樣發(fā)生剪脹現(xiàn)象；對于有效圍壓大于100kPa 的工況，C 與CF 試樣的孔隙水壓力隨軸向應變逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定，表明三軸試驗加載過程中，試樣發(fā)生顯著的剪縮現(xiàn)象。

圖1 孔壓與軸向應變關(guān)系

2.2 峰值應力與圍壓關(guān)系

峰值偏應力(qpeak)與σc′的關(guān)系如圖2 所示。當σc′小于500kPa時，C水泥土的qpeak變化不大，但當σc′大于500kPa 后，qpeak呈現(xiàn)線性增大趨勢；對于CF型復合材料，qpeak未出現(xiàn)顯著轉(zhuǎn)折點，與σc′之間呈線性增加的關(guān)系。

圖2 峰值強度與有效圍壓應力的關(guān)系

2.3 滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系

圖3 為滲透系數(shù)(k)與有效圍壓應力(σc′)的關(guān)系曲線，圖中k值由固結(jié)試驗后的滲透試驗得到。由圖3可以看出，不同圍壓下試樣的滲透系數(shù)變化不大，k值均在某一常數(shù)附近普遍呈現(xiàn)出輕微的波動，表明施加圍壓后，試樣的體積并未發(fā)生顯著壓縮，這是由于水泥與粉煤灰的摻入，在砂土中形成骨架作用，且該骨架在施加圍壓后并未發(fā)生破壞；CF型試樣的k值大于C試樣，表明水泥粉煤灰試樣的滲透性大于純水泥試樣，可以看出粉煤灰的摻入增加了試樣孔隙的數(shù)量。

圖3 C和CF復合材料的滲透系數(shù)k與有效圍壓應力(σc')的關(guān)系

3 結(jié)語

本文研究了兩種水泥土復合材料的力學和水力特性：①水泥土（C）；②粉煤灰處理水泥土（CF）。重點分析比較了兩種水泥土復合材料的應力-應變曲線和滲透率，試驗分析得出的主要結(jié)論如下：

（1）不同圍壓下C 與CF 試樣均表現(xiàn)出應變軟化特性，即偏應力隨著應變的增加呈現(xiàn)出先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）隨著圍壓的增加，峰值偏應力（qpeak）逐漸增大；相同圍壓下CF 試樣的峰值偏應力小于C 試樣，即粉煤灰的摻入降低了水泥土的強度。

（3）低圍壓下C與CF試樣均出現(xiàn)顯著的剪縮現(xiàn)象。

（4）水泥土的滲透系數(shù)(k)幾乎不受圍壓影響，但粉煤灰的摻入會顯著增大水泥土的滲透性。